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TEMAS DE BACTERIOLOGÍA Y VIROLOGÍA MÉDICA
SECCIÓN
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I
Aspectos generales
1. Biología viral
2. Morfología y estructura bacteriana
3. Fisiología y metabolismo bacteriano
4. Genética bacteriana
5. Métodos de estudio de bacterias y virus. Métodos diagnósticos
6. Mecanismos defensivos del huésped contra los agentes infecciosos
7. Interacciones huésped parásito. Flora normal
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Biología viral
Juan R. Arbiza
Introducción
Hasta fines del siglo XIX se había avanzado en la etiología de muchas enfermedades infecciosas,
sin embargo, quedaban muchas enfermedades en el hombre, animales y plantas en las cuales
no se identificaba un microorganismo causal. En el siglo XX se descubrieron los virus como
causantes de enfermedades infecciosas para las cuales no se había encontrado una bacteria, un
hongo o un protozoario como responsable. Fue el desarrollo de nuevas técnicas como los cultivos celulares, el avance en la microscopía y el advenimiento, a fines del siglo XX, de técnicas
de biología molecular que han permitido aislar e identificar los virus; además han permitido
un avance extraordinario en el conocimiento molecular de la biología de los mismos.
Sin embargo, los virólogos tienen un doble desafío para el futuro: controlar los virus que
ya se conocen, para los cuales no existen fármacos o vacunas efectivas hasta el momento y;
aislar, identificar, caracterizar y controlar los virus emergentes o reemergentes (virus de la
inmunodeficiencia humana, Ebola, Hantavirus, etc.).
Características generales
Las primeras características que diferenciaron a los virus de otros microorganismos fueron:
el tamaño, estimado por su capacidad de atravesar filtros que retienen a las bacterias y la
incapacidad para reproducirse en medios biológicos inertes como medios de cultivo para
bacterias, requiriendo para su propagación de animales o cultivos celulares. Hoy se sabe que
estas características no alcanzan para diferenciar a los virus de otros agentes biológicos, dado
que existen bacterias cuyo tamaño puede ser similar al de los virus más grandes y algunas
bacterias como Chlamydias y Rickettsias, son parásitos intracelulares obligatorios.
La organización y composición de las partículas virales ofrecen características que los
diferencia de otros microorganismos. Los virus poseen un solo tipo de ácido nucleico de
pequeño tamaño con respecto a otros agentes biológicos, rodeado por una cáscara o cápside
formada por numerosas copias de una proteína o de un número limitado de ellas. Algunos
grupos de virus presentan por fuera de la cápside una envoltura lipídica de origen celular en
la que se insertan glicoproteínas. No presentan sistemas enzimáticos propios, por lo tanto no
son capaces de replicarse por sí solos y requieren de células animales, vegetales o bacterias
para cumplir su ciclo de reproducción; esto define su parasitismo celular obligatorio.
Este tipo de reproducción particular que tienen los virus, es la característica que justifica
su lugar en la escala biológica. A diferencia de las células, en el momento de su multiplicación,
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los virus no aumentan de tamaño para su posterior división, por el contrario, ls partícula viral
se desintegra y luego se sintetizan cada uno de sus componentes que se reúnen por ensamblaje.
Esta forma de multiplicación en la cual se producen réplicas del virus progenitor, es conocida
con el nombre de replicación viral y se diferencia del proceso de división celular usado por
células procariotas y eucariotas.
Se pueden citar dos definiciones de virus. La primera propuesta por Lwoff (1957): “entidad estrictamente celular y potencialmente patogénica con una fase infecciosa. Posee un
solo tipo de ácido nucleico, es incapaz de crecer y reproducirse por fisión binaria y carecen de
enzimas para producir energía”. La segunda, pertenece a Luria y Darnell (1967): “los virus son
entidades cuyo genoma se replica dentro de células vivas usando su maquinaria de síntesis.
Esto determina la formación de elementos especializados que permiten la transferencia del
genoma viral a otras células”.
VIROIDES
Son virus simples constituidos por ácido ribonucleico (ARN) circular de muy bajo peso
molecular, sin cápside protectora. Producen enfermedades hasta el momento conocidos
exclusivamente en plantas.
PROVIRUS
El genoma viral se puede integrar al genoma celular por un proceso de recombinación genética,
directamente en los virus ácido desoxirribonucleico (ADN) o previa transcripción inversa en
los virus ARN. El genoma viral integrado al celular recibe el nombre de provirus.
PRIONES
Ciertos agentes causantes de afecciones degenerativas del sistema nervioso central del hombre,
han sido clasificados como virus no convencionales, dado que no ha sido posible determinar
una estructura similar a virus en el material infectante, ni el tipo de ácido nucleico de dichos
agentes. Son extremadamente resistentes a sustancias que inactivan los virus comunes. Algunos han propuesto que corresponderían a viroides patógenos del hombre.
Los priones han sido descritos en los últimos años como causantes de muchas enfermedades
del sistema nervioso comentadas anteriormente, principalmente el scrapie en el ganado ovino
y la encefalopatía espongiforme bovina (BSE) o comúnmente conocida como síndrome de la
“vaca loca”. En el hombre serían los agentes relacionados con la enfermedad de CreutzfeldJacob y Kuru. Son estructuralmente más simples que los virus y están formados solo por
proteínas. Cuando se descubrieron, parecía que se podía producir una gran revolución en el
conocimiento de la biología, porque la idea de que una proteína pudiera autorreplicarse sería
opuesta al dogma central de que la información genética es transmitida desde el ácido nucleico
a la proteína. El hallazgo de los priones y el avance en el conocimiento de su biología podrán
dilucidar muchas enfermedades aún sin resolver. Muchas son las investigaciones que se realizan
en estos momentos y las hipótesis propuestas para explicar la biología y permanencia de estas
proteínas extremadamente resistentes a sustancias que inactivan a los virus comunes.
Morfología y estructura de los virus
TAMAÑO Y FORMA
Existe gran variedad de tamaño y forma de los virus hasta hoy estudiados. Se puede obser-
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var un tamaño entre 28 nm en los virus más pequeños denominados picornavirus (pico de
pequeño) hasta 300 nm en los virus más grandes que se conocen como son los poxvirus (ver
figura 1).
La forma también es muy variada, pudiéndose observar formas icosahédricas o helicoidales
en virus que no tiene envoltura por fuera de la cápside, hasta formas esféricas, filamentosa
o pleomórficas en los virus con envoltura o muy complejos como el virus de la rabia (ver
figuras 2 y 6).
ESTRUCTURA
Como ya se mencionó la estructura de un virus está basada en su simplicidad, a pesar de esto
existe cierta diversidad que es usada para la clasificación de estos microorganismos.
Virus desnudos
La estructura de los virus más simples está compuesta por un solo tipo de ácido nucleico
(ADN o ARN) rodeado de una cáscara proteica que se denomina cápside (del griego capsa
que significa caja). De la reunión de las subunidades proteicas codificadas por el genoma
viral, que se ensamblan según principios geométricos, se forman diferentes tipos de simetrías
(icosahédrica o helicoidal). (Ver figura 2 y 3b) Esta estructura básica de ácido nucleico y
cápside recibe el nombre de nucleocápside y constituye en los virus desnudos la partícula
viral completa o virus. Esta se diferencia del término virión que es usado para las partículas
virales o virus potencialmente infecciosas.
Cuando se observa al microscopio electrónico una cápside viral, pueden observarse es-
E. coli
Poxvirus
Rhabdovirus
Herpesvirus
Adenovirus
Parvovirus
1000 nm
Fig. 1
Figura 1.
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Figura 2.
A- Icosahedro desnudo
B.
Helicoidal
desnudo
C. Icosahedro envuelto
nucleocápside
nucleocápside
protómeros (proteína)
capsómeros (proteína)
D. Helicoidal
envuelto
ácido nucleico
espículas (glicoproteínas)
envoltorio (proteínas y
lípidos)
tructuras morfológicas denominadas capsómeros que resultan de la unión por enlaces de las
subunidades proteicas. La forma de distribución de los capsómeros así como el número de
ellos depende de cada tipo de virus.
Virus envueltos
La estructura de las partículas virales de los virus denominados envueltos, está formada
además de la nucleocápside por una envoltura de origen celular que la rodea (ver figuras 2 y
3a). Dicha envoltura se obtiene en el proceso de liberación por gemación (brotamiento) como
se esquematiza en la figura 4. En ésta se insertan glicoproteínas de origen viral que reciben
el nombre de espículas o glicoproteínas de superficie y que tienen un papel importante de
reconocimiento de receptores específicos de la superficie celular, en el paso inicial de relación
con la célula huésped para la multiplicación viral.
Ácidos nucleicos
El ácido nucleico que lleva la información genética y que constituye el genoma viral puede
tener varias formas. Como ya se mencionó, una partícula viral tiene en su estructura un solo
tipo de ácido nucleico (ADN o ARN), pero la forma de estos puede ser de doble o simple
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Figura 3.
a)
b)
cadena, segmentado o no, circular o lineal, determinando una gran diversidad de utilidad en
la taxonomía viral (ver figura 5).
En la figura 6 se representa un cuadro con los principales virus animales, con sus diferentes
estructuras (con envoltura o sin ella, con simetría helicoidal o icosahédrica) y la composición
del ácido nucleico. Estas dos características se combinan de diferentes maneras para determinar varios grupos de virus.
Multiplicación viral
Una partícula viral puede encontrarse en dos estados: activa o inactiva. Para demostrar el
estado inactivo basta incluir una suspensión de virus en un medio de cultivo y observar que
son incapaces de cumplir actividades metabólicas necesarias para su multiplicación. Se deduce
de ello, que los virus carecen como ya se mencionó anteriormente de maquinaria enzimática
que les permita autorreplicarse, aún cuando se les brinde nutrientes que serían adecuados
para la propagación de las bacterias más exigentes.
Pero si una partícula viral es incorporada a células vivas sensibles, se comporta en forma
activa y por lo tanto tomará el comando de la maquinaria enzimática de la célula huésped,
logrando así su replicación.
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Virion
Membrana
Plasmática
Figura 4.
Proteína
vírica
Nucleocápside
DNA
RNA
a)
a)
Simple cadena
Figura 5.
Simple cadena
b)
Doble cadena
b)
Doble cadena
c)
c)
Doble cadena
fragmentado
Circular
(simple y doble cadena)
La multiplicación de los virus animales, vegetales y bacteriófagos es similar en sus principios pero, cada una de ellas tiene sus particularidades. Esto se basa principalmente en las
diferencias entre las células que infectan.
El desarrollo del conocimiento sobre la multiplicación de los virus animales ha sido posible
por el uso (en el laboratorio) de muchos sistemas de aislamiento de virus en los cuales se
puede estudiar el proceso de multiplicación viral. En un principio fueron animales y huevos
embrionados los sistemas más usados, pero actualmente se han sustituido por cultivos celulares que ha favorecido el conocimiento de las etapas de la multiplicación viral. Existe gran
variedad de cultivos de células, cultivos primarios o líneas celulares que pueden ser subcultivadas indefinidamente. Dichas líneas se asemejan mucho a las células transformadas debido
a su gran potencial de crecimiento y a su aneuploidía. Habitualmente se las usa para aislar
virus, pero no se recomiendan para la producción de vacunas virales humanas, dado que los
virus propagados en esas líneas pueden adquirir características genéticas oncogénicas. Los
cultivos primarios resultan de la dispersión de células diploides de un tejido, por digestión
enzimática de la sustancia intercelular; también son poco recomendadas para la producción
de vacunas, ya que pueden tener virus latentes propios de la especie de la que provienen.
Los embriones de gallina y sus anexos siguen siendo muy usados porque ofrecen diferentes
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ENVUELTOS
DESNUDOS
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tipos celulares a los que se puede llegar por diferentes vías (intraamniótica, intraalantoidea,
en saco de yema, etc.).
INFECCIÓN VIRAL
La infección viral puede ser productiva o, en oposición abortiva. Esta última cumple un ciclo
incompleto en el que no se forman partículas virales infecciosas.
Una infección productiva culmina con la generación de una progenie viral infecciosa;
este proceso requiere una serie de pasos o etapas que son diferentes en los distintos tipos de
virus. Las etapas fundamentales de la infección viral son: adsorción, penetración, denudación,
eclipse, replicación, maduración y liberación.
Adsorción
Intervienen muchos factores. En principio existe una atracción por fuerzas iónicas. A pH neutro, los virus y las células tienen cargas negativas, por lo tanto son necesarios iones positivos;
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Figura 7.
b) Viropexis
a) Fusión
Cell
Cell
dicho requerimiento lo cumple los iones de magnesio. Otro factor importante en esta etapa
es la interacción de sitios específicos de la partícula viral con receptores celulares específicos.
Esto determina la especificidad de algunos virus para crecer en células de origen específico;
por ejemplo: el virus de la poliomielitis solo puede crecer en células humanas y de primates.
Otros virus presentan estructuras en su superficie que les permiten cumplir con esta etapa
de forma muy especializada. Estas son glicoproteínas que reconocen receptores celulares
específicos. Hoy se pueden aislar esos elementos como complejos virus y célula.
Luego de adsorbidos a una célula, los virus pueden ser recuperados conservando sus
caracteres de partícula libre potencialmente infectante. Los poliovirus pueden ser separados
de las células con soluciones salinas a altas concentraciones o con detergentes; los mixovirus
(virus de la gripe) que usan también una estructura especializada, se separan de las células
huéspedes por acción de la neuraminidasa.
Penetración
La penetración de los virus una vez adsorbidos, puede realizarse de diferentes maneras, por:
viropexis, penetración o fusión (ver figura 7).
Viropexis
Es un proceso de fagocitosis, en el que se produce una invaginación de la membrana plasmática;
así el virus queda englobado en una vesícula dentro del citoplasma celular. Es el mecanismo
más común de penetración de los virus.
Penetración
En algunos virus, la penetración acontece por simple cruce de la membrana plasmática; así
la partícula viral queda directamente incluida en el citoplasma.
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Fusión
Otro tipo de penetración se da por fusión de la envoltura viral con la membrana plasmática.
También en este caso el virus es directamente incorporado al citoplasma.
Denudación y eclipse
En esta etapa el virus se desintegra, dejando libre su ácido nucleico que comanda su propia
replicación, además de la síntesis de las proteínas necesarias para integrar nuevas partículas.
La manera en la que un virus pierde la cápside y su envoltura (si la tiene), es característico
de cada grupo viral. En los poliovirus parece existir una integración con los constituyentes
celulares tales como los receptores. En otros virus como los poxvirus y los reovirus el proceso
es más complejo. Los poxvirus pierden parte de su envoltura en las vacuolas fagocíticas,
mientras que un ARN mensajero (ARNm) es sintetizado por una transcriptasa que termina
con la producción de una enzima nueva que completa la denudación. Los reovirus penetran
en los lisosomas donde las enzimas proteolíticas eliminan la cápside y promueven la transcripción del genoma.
Los fenómenos descritos (adsorción, penetración y denudación) finalizan con la desintegración de las partículas virales, pero no siempre el proceso progresa hasta la replicación
viral. Si interrumpimos el ciclo en esta etapa llamada eclipse, el ácido nucleico liberado de
sus envolturas puede recobrarse por disrupción de la célula huésped, pero habría perdido su
capacidad de infectar (algunos autores opinan que aún puede recobrarse intacto). Si el proceso normal continúa, comienza la replicación del ácido nucleico y la síntesis de las proteínas
estructurales y no estructurales necesarias para la producción de virus.
Replicación del ácido nucleico
La replicación es un fenómeno muy heterogéneo porque existe mucha variedad de ácidos
nucleicos de origen viral; se recordará que los hay de ADN y de ARN de una o dos hebras,
segmentados o no, etc. Siempre el genoma viral es el elemento capaz de gobernar su autorreplicación y de trasmitir la información estructural y funcional a la progenie resultante de
una infección. No obstante la diversidad señalada, en la replicación intervienen elementos
comunes que vale la pena destacar tales como la formación de un ARNm capaz de traducir
en el ribosoma celular las proteínas codificadas por el genoma viral. Además, sea cual sea el
ácido nucleico, siempre se diferencian dos conjuntos de genes, los precoces y los tardíos. Los
primeros serían los encargados de codificar proteínas necesarias para la copia de la molécula
de ácido nucleico y, los tardíos serían los encargados de codificar las proteínas estructurales
y las proteínas para el ensamblaje.
La replicación puede producirse en el núcleo o en el citoplasma de la célula, eso dependerá
del tipo de ácido nucleico que constituye el genoma viral. Los virus que contienen ARN se
replican en el citoplasma, mientras que los que tienen ADN se replican en el núcleo; excepto
el virus de la viruela que, aunque son virus ADN, su replicación se realiza en el citoplasma.
Los virus ADN sintetizan por medio de una polimerasa, ARNm que pasa al citoplasma
donde se producirá la síntesis proteica; de estas proteínas algunas tienen funciones estructurales y formarán los capsómeros que al unirse entre sí constituirán la cápside. Otras proteínas tendrán funciones enzimáticas, de polímeros y se introducirán en el ácido nucleico
promoviendo la replicación del ADN viral. El tipo de replicación es semiconservadora y los
intermediarios replicativos, serán lineales o cíclicos dependiendo si la molécula de ADN es
lineal o cíclica respectivamente.
Como ejemplo de virus ADN podemos citar al grupo de los herpesvirus, quienes pierden la
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cápside en el citoplasma y penetran al núcleo iniciando la replicación del ácido nucleico. Hay
síntesis de ARNm inducidos por el virus, enzimas relacionadas a la síntesis y fragmentación
del ADN. Los pasos biosintéticos descritos pueden relacionarse con el desarrollo de cuerpos
de inclusión nucleares y la formación de partículas virales.
Los virus ARN tienen un interés especial por la diversidad de formas de replicación que
presentan; esto depende de que el ARN pueda actuar como mensajero, denominado de polaridad positiva. De lo contrario, al ARN que posea la secuencia de bases complementarias
a las del ARNm se le denomina de polaridad negativa.
Cuando consideramos un ARN con polaridad positiva, éste actúa como mensajero
entrando en el ribosoma celular e iniciando una traducción de polimerasas, necesarias para
iniciar la replicación del ácido nucleico. Luego actuará la parte tardía del ARN traduciendo
proteínas para la formación de la cápside y ensamblaje de la partícula viral. Un ejemplo de
este tipo de replicación son los poliovirus, que tienen como genoma un ARN de hebra única
con ácido poliadenílico en un extremo. Dicho ácido sirve inicialmente como molécula de
ARNm para la síntesis de replicasa de ARN, produciéndose el intermediario replicativo de
ARN, útil para la síntesis de moléculas de ARN virales de los descendientes. La replicación
del ARN viral es independiente de las síntesis de ADN de la célula huésped.
Por el contrario, si el ARN es de polaridad negativa, la molécula no tiene función mensajera
y por lo tanto sintetiza una molécula complementaria a la original con función mensajera,
que entra al ribosoma. En este grupo de virus aparece un nuevo concepto en la estructura
viral porque, para sintetizar una copia se necesita una transcriptasa ARN dependiente que
no se encuentra en las células. Por consiguiente, en estos virus además del genoma y las
proteínas estructurales, son sintetizadas otras proteínas que luego serán incorporadas a la
partícula viral.
Maduración y liberación
Hay virus cuya única cubierta es la cápside, virus desnudos, en oposición a los que poseen
envoltura por fuera de la cápside, virus envueltos. Es conveniente considerarlos por separado
en esta etapa, que es la finalización de la formación de una progenie viral.
Para los virus desnudos, el fenómeno de maduración consiste en la unión de los capsómeros para formar la cápside y la posterior unión de esta con el genoma. Parece existir una
diferencia en la maduración de este grupo de virus dependiendo si el ácido nucleico del
genoma es ADN o ARN. Para los primeros, la síntesis del ADN se realiza con anticipación
a la aparición de los elementos estructurales, mientras que para los segundos, se ha demostrado con aminoácidos radioactivos que las cadenas polipeptídicas se reúnen rápidamente
en capsómeros y éstos en cápside. Además se destaca que existe concordancia con la síntesis
de la molécula de ARN.
La liberación en este grupo de virus depende mucho del tipo de virus y de las características de la célula huésped. Los poliovirus son liberados rápidamente de las células HeLa o
HEp-2; dicha liberación se realiza por rotura de vacuolas superficiales. En los virus ADN que
maduran en el núcleo, el tiempo de liberación es mayor que en el ejemplo anterior, porque
la liberación se produce por autolisis celular.
En los virus con envoltura, la maduración es más compleja (ver figura 4). Además de
la unión del ácido nucleico con la cápside, el virus debe rodearse de la envoltura. Luego de
haberse formado la cáspide, la partícula se aproxima a la membrana plasmática y se produce
la evaginación de la membrana y luego el desprendimiento del brote. El brotamiento puede
ser explicado por relación entre las proteínas de la membrana plasmática y la nucleocápsi-
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de. Generalmente, la liberación de la partícula se produce al finalizar el brotamiento de la
membrana celular.
ALTERACIONES CELULARES PRODUCIDAS POR INFECCIÓN VIRAL
Las células pueden responder de diferentes formas ante una infección viral: sin alteración
aparente; con efecto citopático, es decir muerte de la célula por lisis celular e hiperplasia,
como en los poxvirus o; solo con hiperplasia, como en la transformación viral en células
malignas.
Efecto citopático
El efecto citopático consiste en alteraciones morfológicas de las células, que resultan en la
muerte celular. Este efecto es diferente dependiendo el tipo de virus. En cultivos infectados
con adenovirus, las células se redondean y se agrupan como un racimo de uvas. En cambio,
las células infectadas con poliovirus también se redondean pero se retraen y se lisan liberando muchos virus. El virus sincicial respiratorio, produce fusión de las membranas celulares,
originando grandes sincicios.
Cuerpos de inclusión
Los cuerpos de inclusión son acúmulos intracelualres de material nuevo. Algunos se producen
por acumulación de viriones o de subunidades virales no reunidas. Estos cuerpos de inclusión
pueden romper la estructura celular o cambiar la función y producir la muerte celular. Otros
corpúsculos pueden desarrollarse en lugares donde existe síntesis viral, pero no tienen viriones
detectables; por ejemplo los corpúsculos eosinófilos intranucleares en las células infectadas
por virus del herpes simple.
Transformación celular
Algunos virus son productores de tumores o de leucemia. Pueden presentar muchos efectos
en las células: estimulación de la síntesis de ADN celular (virus del polioma); alteraciones
de la superficie evidenciadas por especificidades antigénicas nuevas (distintas de aquellas
pertenecientes a las subunidades de los viriones); aberraciones cromosómicas y alteraciones
del crecimiento celular. Este cambio de una célula normal a una maligna, ha sido llamado
transformación.
Bibliografía
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